面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的制备方法及应用

本发明涉及太赫兹检测，具体为面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的制备方法及应用。

背景技术：

1、太赫兹波是指频率在0.1～10 thz(波长为3000～30μm)范围内的电磁波。太赫兹波的波段能够覆盖半导体、等离子体、有机体和生物大分子等物质的特征谱，利用该频段可以加深和拓展人类对物理学、化学、天文学、信息学和生命科学中一些基本科学问题的认识。太赫兹技术可广泛应用于雷达、遥感、国土安全、高保密的数据通讯与传输、大气与环境监测、实时生物信息提取以及医学诊断等领域，因此，太赫兹的研究对国民经济和国家安全有重大的应用价值。

2、里德堡原子具有高度灵敏的能级结构，其作为太赫兹检测的核心器件，能够对太赫兹波电场的变化做出响应。现有技术中的基于里德堡原子的太赫兹检测存在原子气室内部的电场受f-p效应扰动较大，导致该空间位置电场检测值与真实值误差增大的问题，从而影响太赫兹检测的准确度。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有技术中基于里德堡原子气室的太赫兹检测中存在信号受f-p效应扰动较大的问题，故提供了一种面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的制备方法及应用。

2、本发明是采用如下技术方案实现的：

3、一种面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的应用，太赫兹波激发微型原子气室内部的碱金属原子，进而完成太赫兹检测，其中，太赫兹波频率为0.1-0.5 thz，微型原子气室的边长为4～6mm。

4、工作原理：采用有限元仿真软件cts对不同尺寸（如5mm、10mm）的原子气室的电场分布进行仿真，发现原子气室的边长与波长的比值即d/λ越小，其中心电场分布与空气域的电场分布更接近，原子气室内部电场受到f-p效应的影响更微弱，对应的检测准确度更高，所以，按照上述仿真分析结果，原子气室的边长d越小，太赫兹检测的准确度越高，但是原子气室的边长d太小，探测光束在气室内部的光程会变短，实际参与反应的碱金属原子的数目就会减少，由于信号强度与原子数目成正比，故原子气室体积减小时，会导致检测信号的信噪比降低，所以经研究以及试验得出，太赫兹波频率为0.1-0.5 thz，原子气室的边长为4～6mm（具体实施时，可采用4mm、5mm、6mm）时，原子气室内部电场受到f-p效应的影响更微弱，对应的检测准确度更高。

5、一种面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的制备方法，包括如下步骤：1）准备六块其边长均为4～6mm的正方形高硼硅玻璃片；2）在其中一块高硼硅玻璃片的厚度方向开设通孔；3）将六块高硼硅玻璃片采用有机混合液浸泡、冲洗并在冲洗后将其烘干；4）在真空环境下，采用高温键合方法将六块高硼硅玻璃拼接成空心正方体；5）将玻璃管密封同轴固定于通孔；6）将碱金属固体释放块快速通过玻璃管放入空心正方体内，然后再透过玻璃管对空心正方体内以及玻璃管内进行抽真空；7）对玻璃管进行密封熔断；8）将外置的近红外激光器的激光聚焦在碱金属固体释放块上，使得碱金属固体释放块充分挥发至空心正方体内，从而完成微型原子气室的制备。

6、本发明所产生的有益效果如下：1）本发明采用高温键合技术实现微型原子气室的可控制备，制备出的微型原子气室具有小型化、低成本、高性能的特点，可完成高准确度、宽频带的太赫兹波检测；2）本发明通过减小原子气室的尺寸与太赫兹波的波长比值来减少原子气室内部f-p效应的干扰，同时为避免原子气室的边长过小而导致参与反应的碱金属原子的数目过小，故选取了其边长为4～6mm的微型原子气室，便于与0.1～0.5thz的太赫兹波相匹配，使得微型原子气室内部电场受到f-p效应的干扰更微弱，从而提高太赫兹波检测的准确性。

技术特征：

1.面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的应用，其特征在于，太赫兹波激发微型原子气室内部的碱金属原子至里德堡态，进而完成太赫兹检测，其中，太赫兹波频率为0.1-0.5 thz，微型原子气室的边长为4～6mm。

2.面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1）准备六块其边长均为4～6mm的正方形高硼硅玻璃片；2）在其中一块高硼硅玻璃片的厚度方向开设通孔；3）将六块高硼硅玻璃片采用有机混合液浸泡、冲洗并在冲洗后将其烘干；4）在真空环境下，采用高温键合方法将六块高硼硅玻璃拼接成空心正方体；5）将玻璃管密封同轴固定于通孔；6）将碱金属固体释放块快速通过玻璃管放入空心正方体内，然后再透过玻璃管对空心正方体内以及玻璃管内进行抽真空；7）对玻璃管进行密封熔断；8）将外置的近红外激光器的激光聚焦在碱金属固体释放块上，使得碱金属固体释放块充分挥发至空心正方体内，从而完成微型原子气室的制备。

3.根据权利要求2所述的面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的制备方法，其特征在于，步骤1）中的六块高硅玻璃片均为borofloat®33玻璃片，其热膨胀系数均为3.25×10-6/k，厚度均为0.5mm，介电常数均为4.53。

4.根据权利要求3所述的面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的制备方法，其特征在于，步骤1）中，还需对六块高硼硅玻璃片进行研磨、抛光，使其表面粗糙度ra≤0.05um。

5.根据权利要求4所述的面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的制备方法，其特征在于，步骤2）中，通孔的直径为2.5mm。

6.根据权利要求5所述的面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的制备方法，其特征在于，步骤2）中，还需将通孔进行研磨抛光。

7.根据权利要求6所述的面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的制备方法，其特征在于，步骤3）中，浸泡时的有机混合溶液主要由丙酮和无水乙醇制成，冲洗时采用热、冷去离子水冲洗。

8.根据权利要求7所述的面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的制备方法，其特征在于，步骤5）中的玻璃管的直径为2.0mm。

9.根据权利要求8所述的面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的制备方法，其特征在于，步骤8）中采用的近红外激光器的激光波长为780-1455nm。

技术总结
本发明涉及太赫兹检测技术领域，具体为面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的制备方法及应用。本发明为了解决现有技术中基于里德堡原子的太赫兹波检测存在检测信号受气室F‑P效应扰动较大的问题，故提供了一种面向超带宽太赫兹检测的微型原子气室的应用，太赫兹波激发原子气室内部的碱金属原子至里德堡态，进而完成太赫兹波的检测，其中太赫兹波频率为0.1‑0.5 THz，微型原子气室的边长为4～6mm。本发明中的微型原子气室内部电场受到F‑P效应的干扰更微弱，从而提高了太赫兹波检测的准确性。

技术研发人员：唐军,刘帅,刘俊,李中豪,赵锐,郭浩,温焕飞,马宗敏,李鑫
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15